[发明专利]用于被动式光学手术导航的器械识别方法

说明书

技术领域

本发明是一种用于被动式光学手术导航的器械识别方法，该方法利用光学运动跟踪系统同时跟踪识别多个安装有被动式标志点的手术器械，用于计算机辅助手术中导航定位手术中同时使用的多个被动式标记的手术器械的跟踪识别。本发明属于信息技术在医学临床中应用的领域。

技术背景

随着信息技术的发展，临床中已经利用计算机视觉技术来引导手术，从而使手术做到微创，精确。为引导手术，就需要获取器械与人体之间的相对位置关系。最常使用的是红外光学三维定位跟踪系统，它通过两个以上的红外摄像机来获取视场中的图像，并在各个摄像机两维的图像中提取固结在器械上的若干个发光或反光标志点的位置，然后通过基于双目视觉原理的空间位置解算方法，计算出各个标志点的三维位置，并进一步计算同一器械上三个以上标志点所确定的刚性器械的质心或尖端位置，以及器械所指向的方向。目前红外光学三维定位系统所能够定位的手术器械分为主动式和被动式两种，主动式是指器械上有供电，通过驱动红外发光二极管(IR-LED)顺序发光，并可以与位置检测和器械识别系统主机进行主动通讯的检测方式。而被动式是指被识别的器械本身无供电和与主机的通讯联系，只是被动地接受跟踪检测的器械，被动式器械一般采用反光式的标志点。由于主动式的器械可以通过控制红外发光二极管的顺序发光来区分各个器械，以及器械上的各个标志点，或者通过电子线路通讯进行同步检测，因此器械的识别非常简单，但主动式的器械多采用电缆联结，使用不便。被动式器械的优点是无联线的束缚，使用方便，成本低，互换性好。但由于被动式器械只是被动地接受跟踪检测，因此在跟踪被动式器械时，完全要依赖器械识别算法来区分不同的器械，并计算手术过程中器械的位置和方向。

目前，手术中同时使用的多个被动手术器械，要能被区分开并准确定位，可以在器械上附着多种不同形状或大小的反光标志点，每个标志点将在摄像机图像中呈现不同的形状，以便区别。但这种方法的实施有一定困难，因为要设计加工多种多样的标志点，而且要在图像中加以定位和区分，有一定难度。因此需要研究采用统一大小和形状的标志点时的器械识别跟踪方法。

发明内容

本发明提出了一种对被动式手术器械进行识别与定位的方法，该方法利用器械上标志点的共面特性和标志点间几何布局的差异对被动式手术器械进行识别，可以同时跟踪识别多个被动式的手术器械，并计算得到各个器械的位置和方向。

本发明的主要思路是基于以下考虑：

首先，所说的被动式器械上只有一种规格的标志点，而每个器械上可以固结若干个标志点，在使用中允许多个器械同时出现在摄像机的视场中。因此，为了区分各个器械，我们考虑各个器械上的标志点的安放必须有不同的几何分布，在定位和跟踪器械时，可以利用摄像机检测到的多个标志点间空间分布的信息，对标志点进行分组，并利用分组的标志点来计算该器械的空间位置。进一步，对于同一个器械，为了定位其方向，需要区别组内不同标志点的顺序，因此我们考虑采用标志点组成的多边形非对称分布的方式，来区分各个标志点的顺序。实施中，为了便于区分不同的手术器械，要求不同器械所固结的标志点间的距离有显著差别，或各个标志点联线所组成各多边形的内角有差别。

基于以上考虑，本发明中的识别方法能识别的手术器械的标志点布局须具备如下特点：一个手术器械有三个或四个共面的标志点。标志点自身的形状相同，但同一手术器械上各标志点间的距离有差别，标志点联线组成的多边形是不对称的。同时，不同器械上的标志点布局，均应有明显差别，即指标志点间距离有差异和(或)多边形形状有差别。具体讲，分为下面两种情况：

1.若采用有三个共面标志点的手术器械，则这3个标志点联线应构成不对称的三角形。为进行识别，不同器械上三角形的形状或边长有明显区别，即任意两个不同手术器械上标志点间的三个距离从小到大排列组成的距离数组，应有明显的差别，其中至少有两个对应距离的差异要大于5mm，或三角型至少有一个内角的差异应大于5度。

2.若采用有四个共面标志点的手术器械，则这4个标志点应构成不对称的四边形。为进行识别，将任意两个不同手术器械上四个标志点间的6个距离从小到大排列组成距离数组，应有明显的差别，其中至少有两个对应距离的差异要大于5mm。